1、畢業設計（論文）-兩輪自平衡小車的設計 本科畢業設計論文題目 學 院 電氣與自動化工程學院 年 級 專 業 班 級 學 號 學生姓名 指導教師職 稱論文提交日期 ENC-03以及MEMS加速度傳感器MMA7260構成小車姿態檢測裝置使用卡爾曼各個能協調工作卡爾曼Design of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn recent years the research and application of two-wheel self-balanced vehicle have obtained rapid development This pape

2、r presents a design scheme of two-wheel self-balanced vehicle Gyroscope ENC-03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device System adopts Kalman filter to complete the gyroscope data and accelerometer data fusionand adopts freescale16-bit microcontroller-MC9S12XS128 as

3、controller core The center controller realizes the sensor signal processing the sensor signal processing filtering algorithm and body control human-machine interaction and so onUpon completion of the entire system each module can be normal and to coordinate work The vehicle can keep balancing in unm

4、anned condition At the same time the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of interference In addition the vehicle also can achieve forward backward left and right turn and other basic movementsKey Words Two-Wheel Self-Balance Gyroscope

5、Gesture detection Kalman filter Data fusion目 錄1緒論111研究背景與意義112兩輪自平衡車的關鍵技術2com計2com模2com測系統2com法313本文主要研究目標與內容314論文章節安排32系統原理分析521控制系統要求分析522平衡控制原理分析523自平衡小車數學模型6com平衡小車受力分析6com小車運動微分方程924 PID控制器設計10com PID控制器原理10com PID控制器設計1125姿態檢測系統12com12com計13com爾曼濾波的數據融合1426本章小結163系統硬件電路設計1731 MC9SXS128單片機介紹173

6、2單片機最小系統設計1933 電源管理模塊設計2134傾角傳感器信號調理電路22com計電路設計22com放大電路設計2235電機驅動電路設計23com片介紹24com 驅動電路設計2436速度檢測模塊設計25com介紹25com 編碼器電路設計2637輔助調試電路2738本章小結274系統軟件設計2841軟件系統總體結構2842單片機初始化軟件設計28com初始化28com換模塊ATD初始化29com信模塊SCI初始化設置30com塊初始化31com PWM模塊初始化3243姿態檢測系統軟件設計32com與加速度計輸出值轉換32com濾波器的軟件實現3444平衡PID控制軟件實現3545兩輪

7、自平衡車的運動控制3746本章小結395 系統調試4051系統調試工具4052系統硬件電路調試4053姿態檢測系統調試4154控制系統PID參數整定4455兩輪自平衡小車動態調試4456本章小結456 總結與展望4661 總結4662 展望46參考文獻47附 錄48附錄一 系統電路原理圖48附錄二 系統核心源代碼49致謝521緒論11研究背景與意義近年來隨著電子技術的發展與進步移動機器人的研究不斷深入成為目前科學研究最活躍的領域之一移動機器人的應用范圍越來越廣泛面臨的環境和任務也越來越復雜這就要求移動機器人必須能夠適應一些復雜的環境和任務比如戶外移動機器人需要在凹凸不平的地面上行走有時環境中能

8、夠允許機器人運行的地方比較狹窄等如何解決機器人在這些環境中運行的問題逐漸成為研究者關心的問題兩輪自平衡機器人的概念正是在這樣一個背景下提出來的這種機器人區別于其他移動機器人的最顯著的特點是采用了兩輪共軸各自獨立驅動的工作方式 這種驅動方式又被稱為差分式驅動方式 車身的重心位于車輪軸的上方通過輪子的前后移動來保持車身的平衡并且還能夠在直立平衡的情況下行駛由于特殊的結構其適應地形變化能力強運動靈活可以勝任一些復雜環境里的工作兩輪自平衡機器人自面世以來一直受到世界各國機器人愛好者和研究者的關注這不僅是因為兩輪自平衡機器人具有獨特的外形和結構更重要的是因為其自身的本質不穩定性和非線性使它成為很好的驗證

9、控制理論和控制方法的平臺具有很高的研究價值早在1987年日本電信大學教授山藤一雄就提出了兩輪自平衡機器人的概念這個基本的概念就是用數字處理器來偵測平衡的改變然后以平行的雙輪來保持機器的平穩12本世紀初瑞士聯邦工業大學的Joe美國的SegwayN等兩輪自平衡機器人相繼問世世界各國越來越多的機器人愛好者和研究者開始關注兩輪自平衡機器人美國發明家狄恩卡門與他的DEKA研發公司研發出了可以用于載人的兩輪自平衡車命名為賽格威并已投入市場由于兩輪自平衡車有著活動靈便環境無害等優點其被廣泛應用于各類高規格社會活動目前該車已用于奧運會以及世博會等大型場合當今唯一市場化的兩輪自平衡電動車如圖1-1所示在2002

10、年上市以來就備受各界的關注卡門觀察人類走路的姿勢特性領悟到其實人類之所以可以平穩地直立行走是因為體內靈敏的平衡器官可以精確地判斷出身體重心的改變量透過小腦的即時反應然后利用腿部的肌肉即時出力來平衡傾倒的態勢所以當人類的身體前傾時這種不自主的反應會促使人類伸出其中的一只腳往前走來平衡身體所以透過這種前傾往前踏腳前傾往前踏腳的動作循環即構成了步行這種動作因此卡門嘗試使用精密的陀螺儀來代替人類的前庭與耳蝸等平衡器官以電動馬達與車輪代替人類的雙腳發展出所謂的動態穩定"概念3圖1-1 Segway兩輪自平衡車12兩輪自平衡車的關鍵技術com計兩輪自平衡車的系統設計包括車身機械結構設計硬件系統設

11、計和軟件系統設計在機械結構上保持小車重心的穩定性才能減少控制系統由于車身機械結構的不合理性而造成的控制復雜化硬件系統必須包含自平衡車所需的所有電子系統與電氣設備軟件系統則具體負責車身平衡控制com模系統模型的建立有助于控制器設計以及控制系統各項參數的確定系統數學模型建立的重點在于動力學方面主要采用拉格朗日動力學方程以及牛頓力學定律的方法然而通常的動力學建模方法沒有考慮電機轉動車身震動對模型的影響并且兩輪子平衡車是本質不穩定的非線性系統因此建模必須考慮線性化問題com測系統兩輪子平衡車通過姿態檢測系統來實時檢測車身姿態及運動狀態并根據姿態信息對小車進行控制因此對于兩輪自平衡車來說能夠精確并穩定的

12、檢測當前車身傾角是實現有效控制的關鍵所在目前有多重技術可以實現傾角檢測但是實時性經濟性還不夠理想采用MEMS Micro-Electro-Mechanical System微機電系統 陀螺儀和加速度計等慣性傳感器構成的姿態檢測系統可以實時準確的檢測兩輪自平衡車的傾角但是由于慣性傳感器自身固有特性隨著溫度震動等外界變化會產生不同程度的漂移與噪聲因此必須使用一些濾波算法對陀螺儀和加速度計采集的數據進行融合使測量角度更加真實穩定com法兩輪自平衡車屬于本質不穩定系統因此其實現的平衡是一種動態平衡在遇到外界干擾如何快速恢復保持自平衡等問題是控制算法需要考慮的問題傳統的PID控制在各類工業場合有著廣泛的

13、應用完全可以滿足兩輪自平衡車的控制系統要求當然也可以采用各類先進的控制算法諸如基于狀態空間的LQR最優控制模糊控制神經網絡等413本文主要研究目標與內容本課題設計了一款兩輪自平衡小車研究了車身姿態檢測中陀螺儀與加速度傳感器的互補特性并根據其特性比較并設計濾波算法包括卡爾曼濾波互補濾波等常用濾波算法PID控制算法的實現以及直流電機調速的研究具體包括 1 機器人本體設計包括機械重心調整電氣系統設計等為進一步研究提供良好的平臺 2 信號調理及控制部分電路設計陀螺儀輸出信號需要經過進一步濾波放大因此需要設計信號調理電路同時控制核心需要構建相關輸入輸出模塊及人際交互設備因此需要對主控單元電路進行設計同時

14、還需要設計直流電機驅動電路 3 基于卡爾曼濾波的數據融合由于陀螺儀測量的角速度只在短時間內穩定而加速度傳感器的自身白噪聲很嚴重因此根據其互補特性設計卡爾曼濾波器以得到準確穩定的角度和角速度 4 PID控制算法包括兩路閉環控制小車的傾角閉環控制以及直流電機的閉環速度控制14論文章節安排第一章緒論介紹的發展歷史研究方向及應用前景然后闡述課題的研究目標及主要內容第二章系統進行第三章系統硬件設計介紹硬件系統的組成與設計主要介紹單片機最小系統電路電機驅動電路等第四章系統軟件設計介紹單片機初始化濾波算法及控制算法闡述各軟件設計第五章系統調試介紹電機編碼器等模塊的調試效果對調試結果進行分析第六章總結與展望2

15、 系統原理分析21控制系統要求分析根據系統要求小車必須要能夠在無外界干預下依靠一對平行的車輪保持平衡并完成前進后退左右轉彎等動作分析系統要求可知保持小車直立和運動的動力都來自于小車的兩只車輪車輪由兩只直流電機驅動因此從控制角度來看可以將小車作為一個控制對象控制輸入量是兩個車輪的轉動速度整個控制系統可以分為三個子系統 1 小車平衡控制以小車傾角為輸入量通過控制兩個電機的正反轉保持小車衡 2 小車速度控制在保持平衡的基礎上通過調節小車傾角實現對速度的控制實際上還是演變為對電機的控制實現小車的速度控制 3 小車方向控制通過控制兩個電機間的轉速不同實現轉向小車直立和方向控制任務都是直接通過控制車模兩個

16、后輪驅動電機完成的而速度控制則是通過調節小車傾角完成的小車不同的傾角會引起車模的加減速從而達到對小車速度的控制三個子系統各自獨立進行控制由于最終都是對同一個控制對象小車的電機進行控制所以各個子系統之間存在著耦合為了方便分析在分析其中之一時假設其它控制對象都已經達到穩定比如在速度控制時需要小車已經能夠保持直立控制在方向控制時需要小車能夠保持平衡和速度恒定同樣在小車平衡控制時也需要速度和方向控制已經達到平穩這三個任務中保持小車平衡是關鍵由于小車同時受到三種控制的影響從小車平衡控制的角度來看其它兩個控制就成為干擾因此對小車速度方向的控制應該盡量保持平滑以減少對平衡控制的干擾以速度調節為例需要通過改變

17、車模平衡控制中小車傾角設定值從而改變車模實際傾斜角度達到速度控制的要求為了避免影響車模平衡控制這個車模傾角的改變需要非常緩慢的進行其中平衡控制是系統的最基本要求也是整個控制系統的難點22平衡控制原理分析控制小車平衡的直觀經驗來自人類日常生活經驗如人類身體擁有豐富的感知器官通過大腦調節便可以控制腰部及腿部肌肉保持人體的直立而一般人通過簡單訓練就可以讓一根直木棍在手指尖保持直立不倒這需要兩個條件一個是托著木棍的手指可以自由移動另一個是人的眼睛可以觀察木棍的傾斜角度與傾斜趨勢 角速度 這兩個條件缺一不可實際上這就是控制系統中的負反饋機制如圖2-1所示圖2-1 保持木棍直立的反饋控制系統自平衡車的控制

18、也是通過負反饋來實現的與在指尖保持木棍直立比較則相對簡單由于小車只依靠兩個車輪著地車輪與地面會發生相對滾動使得小車傾斜而小車上裝載的姿態檢測系統能夠對小車的傾斜狀況進行實時檢測通過控制器控制車輪轉動抵消在這個維度上的傾斜力矩便可以保持小車平衡如圖2-2所示圖2-2 通過車輪轉動保持小車平衡23自平衡小車數學模型com平衡小車受力分析為了準確控制車輪轉動保持小車始終穩定的直立平衡需要對自平衡車進行運動學分析并建立其數學模型從而更好的設計控制系統為了更加直觀的分析系統受力情況下面將直立小車與單擺模型進行對比說明小車的受力情況重力場中使用細線懸掛的重物經抽象化便形成理想化的單擺模型兩輪自平衡車可以看

19、作一級倒立擺模型進行分析如圖2-3所示圖2-3 小車抽象為一級倒立擺模型對普通單擺進行受力分析如圖2-4所示圖2-4 單擺受力分析當物體離開平衡位置后便會受到重力與線的合作用力驅使物體回復至平衡位置這個力稱為回復力其大小為 式2-1在偏移角很小情況下回復力與偏移角之間的大小成正比方向相反在此回復力的作用下單擺進行周期運動由于空氣阻力的存在單擺最終會停止在平衡位置空氣阻尼力與單擺的速度成正比方向相反阻尼力越大單擺會越快停止在平衡位置可得出單擺保持平衡的條件有兩點 1 受到與偏移相反的回復力作用 2 受到與運動速度相反的阻尼力作用如果沒有阻尼力單擺會在平衡位置左右晃動而無法停止如果阻尼力過小欠阻尼

20、單擺會在平衡位置震蕩阻尼力過大過阻尼則導致單擺恢復平衡時間加長因而存在一個臨界阻尼系數使單擺穩定在平衡位置所需時間最短對靜止的一級倒立擺模型進行受力分析不考慮車輪與地面的滾動摩擦力如圖2-5所示圖2-5一級倒立擺模型受力分析圖由一級倒立擺模型靜止時的受力分析可知其回復力大小為 式2-2靜止的倒立擺之所以不能像單擺一樣可以穩定在平衡位置是因為在偏離平衡位置時所受回復力與其偏移方向相同而不是相反因此不能回復至平衡位置而是加速偏離垂直位置直至傾倒經分析可知要控制倒立擺使其能夠與單擺一樣能夠回復至平衡位置并保持穩定有兩種方案一種是改變重力方向另一種是在系統中增加另外一種力使合回復力與偏移方向相反顯然只

21、能通過第二種方法實現倒立擺的平衡即在系統中額外增加一種力使合回復力與偏移方向相反根據牛頓第一運動定律即慣性定律任何一個物體在不受外力或受平衡力的作用時總是保持靜止狀態或勻速直線運動狀態直到有作用在其上面的外力迫使其改變這種狀態為止牛頓運動定律只在慣性參考系中成立在非慣性參考系中由于慣性的存在物體會受慣性力通過控制倒立擺底部車輪使其做加速運動在此條件下再次分析倒立擺受力情況如圖2-6所示圖2-6 非慣性系中的倒立擺受力分析由于車輪做加速運動倒立擺會受額外的慣性力作用假設車輪運動使倒立擺具有的加速度為選取地面為參考的慣性系根據牛頓第二定律可知倒立擺受到的慣性力為 式2-3這樣倒立擺所受到的合回復力

22、為 式2-4在平衡控制系統中可控偏移角較小對其進行線性化假設控制系統中車輪加速度與偏移角成正比關系比例系數為則式2-4可變換為 式2-5若比例系數 g重力加速度則倒立擺所受合回復力的方向即與偏移方向相反這樣倒立擺便可以回復平衡位置但是其調整時間過長為提高倒立擺調整時間需要加入阻尼力增加的阻尼力與偏移角速度成正比方向相反因此式2-5可變為 式2-6這樣車輪需要提供的加速度即為 式2-7式中為傾角為傾角速度為比例系數由式2-7可知只有當 g時倒立擺才能穩定到垂直位置為阻尼系數合適的阻尼系數可以使倒立擺盡快回復至穩定位置com小車運動微分方程已知自平衡車高度為質量為將其抽象為一級倒立擺并將倒立擺至于

23、可水平移動的小車上假設其受外力干擾引起的車體角加速度為沿垂直于車體方向進行受力分析如圖2-7可以得到自平衡車傾角與車輪移動加速度為以及外力干擾帶來的加速度之間的運動方程圖2-7 外力干擾條件下的小車受力分析小車運動微分方程表達式如式2-8 式2-8當傾角很小的時候可以進行線性化處理 運動微分方程可簡化為 式2-9自平衡車靜止時其運動微分方程為 式2-1024 PID控制器設計com PID控制器原理當今的自動控制技術都是基于反饋的概念反饋理論的要素包括三個部分測量比較和執行測量系統需要控制的變量與期望值相比較用這個誤差糾正調節控制系統的響應在工程實際中應用最為廣泛的調節器控制規律為比例積分微分

24、控制簡稱PID控制又稱PID調節PID控制器問世至今已有近70年歷史以其結構簡單穩定性好工作可靠調整方便而成為工業控制的主要技術之一PID控制器由比例單元P積分單元I和微分單元D組成其輸入e t與輸出u t的關系為 式2-11 其中為比例系數為積分時間常數為微分時間常數PID控制器具有原理簡單使用方便適應性強魯棒性強對模型依賴少等特點因此使用PID控制器實現兩輪自平衡車的控制是完全可行的com PID控制器設計 由小車靜止時其運動方程可得到系統輸入輸出傳遞函數 式2-12 此時系統具有兩個極點其中一個極點位于s平面的右半平面根據奈奎斯特穩定判據可知系統不穩定因此小車在靜止狀態不能保持平衡56由

25、小車受力分析可知小車平衡的條件是提供額外的回復力及阻尼其來源為車輪與地面的摩擦力由式2-7可知車輪提供的加速度的大小是根據角度及角速度的反饋得出因此需要在控制系統中引入角度及角速度構成比例 P 微分 D 反饋環節如圖2-8所示圖2-8 加入比例微分環節后的控制系統結構圖加入比例微分反饋后的系統傳遞函數為 式2-13 此時系統的兩個極點為根據奈奎斯特穩定判據可知系統穩定需要兩個極點都位于s平面的左半平面要滿足這一點需要 g 0由此可得出結論但 g 0時小車可以保持平衡這也與上文中小車受力分析的結果相符在反饋環節中與角度成比例的控制量稱為比例控制與角速度成比例的控制量稱為微分控制角速度是角度的微分

26、因此上面系數分別稱為比例和微分控制參數其中微分參數相當于阻尼力可以有效抑制自平衡車振蕩控制系統的輸出量為電機控制量因而小車平衡控制的PID控制器的輸出方程可寫為OUT_Motor KpAngleKdAngle_dot 式2-14 式2-14中OUT_Motor為PID控制輸出量Angle為反饋傾角值Angle_dot為反饋角速度值Kp和Kd分別為比例系數及微分系數25姿態檢測系統兩輪自平衡車不同于普通傳統結構的小車是一種本質不穩定非線性系統需要不斷調整自身角度以實現動態平衡因此需要實時檢測自身傾角再進行合理調整就可以實現動態平衡因而姿態檢測成為控制小車直立平衡的關鍵慣性導航是依據牛頓慣性原理利

27、用慣性元件來測量運載體本身的加速度經過積分和運算得到速度和位置從而達到角度角速度位置等姿態檢測的目的其工作時不依賴外界信息也不向外界輻射能量不易受到干擾是一種自主式導航系統78MEMS慣性器件具有體積小耐沖擊壽命長可靠性高成本低等特點非常適于構建微型捷聯慣性導航系統本系統采用MEMS加速度計和陀螺儀構成自平衡車的姿態檢測系統com陀螺儀是一種用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置可以用于檢測角速度本系統使用的陀螺儀是日本村田公司基于壓電陶瓷技術的單軸陀螺儀ENC-03其實物如圖2-9所示其利用了旋轉坐標系中的物體會受到科里奧利力的原理在器件中利用壓

28、電陶瓷做成振動單元當旋轉器件時會改變振動頻率從而反映出物體旋轉的角速度ENC-03體積小響應快功耗低成本低采用模擬量輸出檢測范圍可達±300degsec 度每秒 靈敏度為067mvdegsec圖2-9 陀螺儀ENC-03陀螺儀直接輸出角速度將角速度進行積分便可以得到角度陀螺儀輸出數據噪聲較少短時誤差較小由于陀螺儀及其放大電路存在溫漂且需要經過積分運算最終會導致誤差累積致使檢測結果出錯因此不能直接利用陀螺儀的積分結果作為可以直接使用的角度78com計加速度計是一種利用檢測質量塊的慣性力來測量載體加速度的敏感裝置分為線加速度計和角加速度計本系統采用飛思卡爾公司利用MEMS微電子技術開發生

29、產的三軸加速度計MMA7260MMA7260是一種低g值小量程線性加速度傳感器在不運動或不受重力作用0g條件下輸出為165V最大測量范圍0-6g靈敏度最高可到800mVgMMA7260實物如圖2-10所示圖2-10 加速度計MMA7260加速度計可以直接通過反三角函數計算出小車傾斜角度但是其對震動非常敏感輸出值中含有大量噪聲而且其輸出的值是小車運動加速度與重力加速度的混合數據因此不能直接使用通過示波器連接陀螺儀與加速度計可以觀察其輸出波形如圖2-11圖2-11 陀螺儀與加速度計輸出波形1為陀螺儀輸出2為加速度計輸出com爾曼濾波的數據融合雖然單一慣性傳感器就可以單獨進行姿態角度檢測但是其準確性

30、主要取決于慣性器件的精度單從改善硬件結構和生產工藝方面難以有很大幅度的提高并且系統誤差會隨時間累積不適用于長時間姿態檢測由于利用單一傳感器陀螺儀或加速度計難以獲得相對真實的小車姿態角度出于對系統測量姿態角度準確性的考慮本系統采用多傳感器信號進行數據融合以獲得最佳姿態角度910多傳感器數據融合是一個非常重要的研究內容只有采用最適合的融合方法才能獲得最佳的效果常用數據融合方法有加權平均法神經網絡法等加權平均法是一種簡單的融合方法故其運算精度很差神經網絡法具有很好的非線性和有效的自學能力但是其涉及的模型構建參數優化非常復雜不適用于本系統國外有研究者根據加速度計與陀螺儀的互補特點研究出互補濾波算法其簡

31、單明了并且具有較好的實時性與穩定性能夠較好的融合出姿態角度考慮到本系統使用的慣性器件特性較差互補濾波在本質原理上不能彌補器件特性缺陷故本系統采用卡爾曼濾波算法作為數據融合方法1960年卡爾曼發表了著名的用遞歸方法解決離散數據線性濾波問題的論文隨著數字計算技術的進步卡爾曼濾波器得到了越來越廣泛的應用和推廣尤其是在自主或協助導航領域卡爾曼濾波器與大多數濾波器不同之處在于其是一種純粹的時域濾波器不需要像低通濾波器等頻域濾波器那樣需要在頻域設計再轉換到時域實現對于解決大部分的問題是最優效率最高甚至是最有用的卡爾曼濾波器的廣泛應用已經超過30年包括機器人導航控制傳感器數據融合甚至在軍事方面的雷達系統以及

32、導彈追蹤等等近年來更被應用于計算機圖像處理例如頭臉識別圖像分割圖像邊緣檢測等等1112 卡爾曼濾波器是一種高效率的遞歸濾波器 自回歸濾波器 能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測量中估計動態系統的狀態卡爾曼濾波器不僅能估計信號的過去和當前狀態甚至能估計將來的狀態卡爾曼濾波器解決離散時間控制過程的一般方法首先定義模型線性隨機微分方程假設卡爾曼濾波模型k時刻真實狀態是從k-1時刻推算出來如下式 式2-15 式2-15中是k時刻狀態A是k-1時刻狀態變換模型B是作用在控制器向量上的輸入控制模型是過程噪聲假設其均值為零協方差矩陣符合多元正態分布 式2-16 k時刻對應真實狀態的測量滿足下式 式2-17 式

33、2-17中是觀測模型將真實控制映射為觀測空間為觀測噪聲其均值為零協方差矩陣符合正態分布 式2-18 初始狀態以及每一時刻的噪聲都認為是互相獨立的卡爾曼濾波器的操作主要包括兩個階段預估與更新在預估階段濾波器根據上一時刻狀態估算出當前時刻狀態在更新階段濾波器利用當前時刻觀測值優化在預估階段獲得的測量值以獲得一個更準確的新估計值111213卡爾曼濾波器迭代過程如下1 先驗狀態估計 式2-19 2 先驗估計誤差協方差 式2-20 3 卡爾曼增益 式2-21 4 后驗狀態估計 式2-22 5 后驗誤差協方差 式2-23 在上面各式中A作用在上的n階矩陣B作用在控制向量上的n×1輸入控制矩陣Hm

34、×n觀測模型矩陣將真實狀態空間映射為觀測空間n×n先驗估計誤差協方差矩陣n×n后驗估計誤差協方差矩陣Qn×n過程噪聲協方差矩陣Rm×m過程噪聲協方差矩陣In階單位矩陣n×m矩陣稱之為卡爾曼增益26本章小結 本章闡述了小車平衡控制原理與所需條件對小車進行受力分析構建了小車的運動模型并提出了小車的運動微分方程解算出小車運動控制的傳遞函數并利用自動控制理論進行了分析設計了兩輪自平衡車的PID控制器介紹了本系統使用的姿態檢測傳感器分析了其性能特點簡述了卡爾曼濾波器原理及其設計流程3系統硬件電路設計本系統硬件電路的設計目標為可靠高效簡潔可靠性是

35、系統設計的第一要求因此對電路設計的所有環節都進行了電磁兼容性設計做好各部分的接地屏蔽濾波等工作將高速數字電路與模擬電路分開從而大大提高本系統工作的可靠性系統主要由以下幾個模塊組成MC9S12XS128單片機最小系統硬件設計電源模塊硬件設計傾角傳感器信號調理電路設計電機驅動電路設計速度檢測電路系統硬件設計圖如下圖3-1 硬件設計總體框圖31 MC9SXS128單片機介紹本系統采用飛思卡爾公司原摩托羅拉公司半導體事業部的MC9S12XS128單片機為控制核心該單片機是飛思卡爾公司的16位HCS12系列單片機簡稱S12系列MC9S12XS128是HCS12系列的增強型產品基于S12的CPU內核可達到

36、25MHz的HCS12的25倍性能S12X系列增加了172條額外指令可以執行32位計算共280條指令總線頻率最高可以達到40MHz改進了中斷處理能力S12X系列的CPU采用復雜指令集CISC架構集成了中斷控制器有豐富的尋址方式中斷有7個優先級并且內核支持優先級的調度最多可有117個中斷源S12X可訪問最多8M的全部存儲空間 包括片內和片外資源 MC9S12XS128采用的是5V供電芯片內部含有128K的Flash存儲器8K的RAM8K的EEPROM兩路串行通信接口SCI一路串行外圍接口SPI八路定時器通道兩個80引腳為一個八路可調轉換精度的AD口八路PWM輸出9180引腳為59個離散數字IO口

37、1516一個MSCAN模塊其功能模塊如圖3-2所示圖3-2 MC9S12XS128單片機功能模塊示意圖一MC9S12XS128主要特性1最高總線速度從25MHz提升到40MHz2增加GPageRPageEPage頁面寄存器可以實現8MB存儲空間連續尋址3以內存代替EEPROM編程簡化4電源供電簡化不在需要外部PLL濾波電路器件5AD從10位精度升為12位精度6內部有容錯糾錯功能ECC7CCR由8位改為16位增加3個優先級位將中斷源細分為7級8SPI支持16位操作9有存儲保護設置定時器功能增強有四通道24位周期中斷定時器10不再支持模糊邏輯指令S12X系列單片機的中央處理器CPU12X由以下三部

38、分組成算術邏輯單元ALU控制單元和寄存器組通常外部采用8MHz或16MHz石英晶體振蕩器可通過內部鎖相環使片內總線速度提升到最高120MHz尋址方式有16種內部寄存器組中的寄存器堆棧指針和變址寄存器均為16位CPU12X的累加器D是16位的但是可分別看成兩個8位累加器A和BCPU12X的寄存器組包括如下5個部分116為累加器D或8位累加器A和B216位變址寄存器X和Y用來處理地址可分別用于源地址和目的地址指針型變量運算316位堆棧指針寄存器SP416位程序計數器PC運行時指向下一條指令的地址516位條件碼寄存器CCR在這一點上和CPU12不同要特別注意MC9S12XS128所擁有的增強型輸入捕

39、捉定時器的特性如下116位自由運行時鐘8位預分頻因子28個16位輸入捕捉或輸出比較31個16位脈沖累加器MC9S12XS的脈寬調制模塊PWM可設置成8通道8位或者4通道16位占空比可編程脈沖波形可中心對齊或邊緣對齊MC9S12XS的異步串行接口SCI有兩個可選用普通非歸零碼或IrDA14歸零碼支持LIN總線協議有一個同步串行外設接口SPIMC9S12XS的JH和P口有位輸入信號跳變沿產生中斷喚醒CPU功能根據封裝最多可有20個帶位中斷的引腳MC9S12X時鐘發生器使用范圍216MHz的外部晶振頻率通過鎖相環頻率合成器產生更高單片機內部總線周期外部時鐘缺失時內部提供自時鐘方式直到外部時鐘恢復為止

40、本設計采用reescale公司16位單片機MC9S12XS128為控制器最小系統原理圖如圖3-所示主要包括單片機供電復位電路時鐘電路由于單片機內部集成了PIMTIMPWMSPISCIECTCANADPIT等模塊因此使用方便圖3- 單片機最小系統原理圖圖3- 時鐘電路原理圖圖3-5 復位及BD M接口電路BDM接口是S12單片機用來連接BDM調試器的BDM接頭通常設計為6針的雙排插頭其中4個引腳分別為VDDRESETGND和BKGD BACKGROUND 另外2個針腳為空如圖3-533 電源管理模塊設計可靠的電源方案是整個硬件電路穩定可靠運行的基礎電源模塊由若干相互獨立的穩壓電路模塊組成這樣做可

41、以減少各模塊之間的相互干擾另外為了進一步減小單片機的5V電源噪聲可以單獨使用一個5V的穩壓芯片與其它接口電路分開圖3-6 電源模塊電路圖34傾角傳感器信號調理電路com計電路設計本系統采用的加速度計是飛思卡爾公司三軸加速度計MMA7260該加速度傳感器是一種低g值的傳感器輸出信號很大不需要再進行放大通過GSEL1和GSEL2腳選擇靈敏度本系統設置其靈敏度為800mvg電路如圖3-7所示圖3-7 加速度計MMA260接口電路圖com放大電路設計本系統采用的陀螺儀為村田公司ENC-03是一種低成本壓電式陀螺儀其輸出為067mvdegsec主控單片機MC9S12XS128的ATD模塊最高采集精度為1

42、2bitAD基準電壓為33V計算得出最小分辨電壓為08mv因此不能直接對陀螺儀輸出信號進行采集需要設計放大電路系統采用LM358圖3-8 U1B設計負反饋放大電路放大倍數為即放大10倍同時由于陀螺儀輸出會隨溫度而變化影響系統傾角檢測精度為抑制陀螺儀溫漂需要在放大電路中設計零點偏置電壓調整電路本系統中利用LM358 圖3-8 U1A 構成電壓跟隨器輸出電壓通過電位器調節使零點偏置電壓保持在陀螺儀工作電壓的一半165V這樣可以有效抑制陀螺儀的溫漂放大電路如圖3-8圖3-8 ENC-03放大電路姿態檢測模塊實物圖如圖3-9所示圖3-9 姿態檢測模塊實物圖35電機驅動電路設計為降低機械結構對系統設計帶

43、來的難度本系統采用傳統四驅車模加以改裝作為本設計的硬件平臺車模動力來自后輪兩個直流電機由于兩輪自平衡車在平衡過程中需要不斷前后運動調整車身姿態因此需要電機能夠實現雙向轉動為此系統采用兩片專用半橋驅動芯片BTS7960構成全橋式驅動電路由單片機的PWM模塊產生驅動波形通過改變PWM占空比實現直流電機的調速功能com片介紹BTS7960 是Infineon公司一款針對電機驅動應用的完全集成的大電流半橋芯片是NovalithICTM 系列的成員之一封裝中集成了一個P通道的高邊場效應管和一個N通道的低邊場效應管以及一個集成控制電路由于上橋臂采用的是P通道開關對于電荷泵的需求也就不復存在因此電磁干擾減至

44、了最小由于內部集成控制電路具有邏輯電平輸入功能因此與單片機的接口電路就比較方便且該集成驅動電路還具有電流檢測診斷轉換率調整死區時間生成以及過熱過壓欠壓過流和短路保護基本特點如下 在時導通電阻的典型值為 低靜態電流在時的典型值僅為 與主動續流相結合的脈寬調制能力高達25kHz 開關電流限制降低功耗的過流保護 最大驅動電流為A 具有電流檢測能力的狀態標志診斷 具有鎖定行為的過熱關斷 過壓鎖定 欠壓關斷 帶有邏輯電平輸入的驅動電路 用于優化電磁干擾的可調節轉換率圖3-10全橋電機驅動電路36速度檢測模塊設計兩輪自平衡小車的原理是利用地面對車輪的摩擦力抵消車受到的重力在本系統的控制環節中有兩路閉環控制

45、即傾角閉環控制以及速度閉環控制為實現速度的閉環控制必須加入速度檢測裝置實現速度閉環控制中的反饋環節本系統測速模塊采用OMRON 歐姆龍 公司500線增量式旋轉編碼器如圖3-11圖3-11旋轉編碼器com介紹編碼器內部為一個中心有軸的光電碼盤其上有環形通暗的刻線有光電發射和接收器件讀取獲得四組正弦波信號組合成ABCD每個正弦波相差90度相位差相對于一個周波為360度將CD信號反向疊加在AB兩相上可增強穩定信號另每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位由于AB兩相相差90度可通過比較A相在前還是B相在前以判別編碼器的正轉與反轉通過零位脈沖可獲得編碼器的零位參考位如圖3-12圖3-12 編碼器AB相輸出

46、波形本系統用OMRON旋轉編碼器相關參數如表3-1所示表3-1 編碼器參數表電源電壓DC 5V12V紋波的峰峰值小于5消耗電流30mA以下分辨率500 脈沖轉輸出相ABZ 三相輸出狀態集電極開路輸出最高輸出響應42kHz輸出上升或下降時間1us 以下起動轉矩1mN·m以下軸允許力徑向 10N軸向 5N允許最高轉速5000rmin質量35g集電極開路輸出需要在信號輸出端接入一個上拉電阻供單片機采集數據圖3-13編碼器接口電路37輔助調試電路本設計中涉及多種傳感器的應用為使系統工作穩定完成設計要求需要檢測各傳感器的工作狀態為此本設計需要設計輔助調試模塊常用的輔助調試模塊有RS232串口通

47、信模塊NRF905無線通信模塊藍牙模塊LCD模塊及SD卡模塊等圖3-14 232串口電平轉換電路38本章小結本章重點闡述了系統硬件電路的設計包括單片機最小系統的設計電源管理模塊硬件設計陀螺儀ENC-03放大電路設計加速度計MMA7260外圍電路設計基于BTS7960的H橋電機驅動電路設計編碼器測速模塊接口電路設計輔助調試電路設計整個系統硬件電路平臺搭建完畢4系統軟件設計41軟件系統總體結構本文的前幾章介紹了兩輪自平衡小車的硬件電路設計圖4-1系統總體軟件流程圖42單片機初始化軟件設計單片機系統初始化主要包括以下模塊鎖相環模塊串行通信模塊SCIECT中斷捕捉PWM模塊鎖相環初始化static v

48、oid PLL_Configuration void CLKSEL 0X00 disengage PLL to system PLLCTL_PLLON 1 turn on PLL SYNR 0xc0 0x07 REFDV 0x80 0x01 POSTDIV 0x00 pllclock 2osc 1SYNR 1REFDV 128MHz _asm nop BUS CLOCK 64M _asm nop while CRGFLG_LOCK 1 when pll is steady then use it CLKSEL_PLLSEL 1 engage PLL to system com換模塊ATD初始化

49、本系統涉及到多傳感器的數據采集及控制static void ATD_Configuration void ATD0CTL1 0x40 12位精度采樣前放電ATD0CTL2 0x40 禁止外部觸發 中斷禁止ATD0CTL3 0xa0 4個序列右對齊ATD0CTL4 0xff 4個AD周期ATD時鐘2MHzATD0CTL5 0x30 連續轉換起始通道0ATD0DIEN 0x00 禁止數字信號 模數轉換ATD結果采用查詢方式程序如下extern float ReadAD byte ch int adfloat ADwhile ATD0STAT0_SCF 等待模數轉換完成 switch ch 選擇轉換

50、通道 取出轉換結果 case 0 ad ATD0DR0 break case 1 ad ATD0DR1 breakcase 2 ad ATD0DR2 breakcase 3 ad ATD0DR3 break AD ad3300 12 將轉換結果轉為實際電壓值采用移位運算提高效率return AD 返回轉換結果 com信模塊初始化設置主要設置串口波特率工作模式及中斷允許標志位以實現與上位機的通信輔助系統調試串行通信初始化程序如下 void SCI_ Configuration void SCI0BD 417 設置波特率 9600 SCI0CR1 0 正常工作8個數據位1個停止位 SCI0CR2

51、0xc 允許收發 波特率的設置通過以下公式計算得到 式4-void SCI_WriteByte byte str while SCI0SR1 0x80 等待發送完成SCI0DRL str 發送數據存入發送緩存器 com塊初始化在本系統中通過旋轉編碼器來獲取小車速度編碼器的反饋脈沖數與小車所移動的位置成正比根據編碼器反饋脈沖數來測量小車轉速有一下三種方法在規定時間內測量產生的脈沖個數來獲得車速稱為M法測速測量兩個相鄰脈沖的時間來測量測速稱為T法測速同時測量檢測時間和脈沖個數來測量測速稱為MT法測速在三種測速方法中M法適用于高速應用T法適用于低速應用而MT法適合于高速場合在本系統中若采用T法測速編碼器一圈會產生500個脈沖頻繁的中斷會影響控制系統精度因為本系統采用M法測速M法測速需要對脈沖進行過計數同時利用定時器產生定時中斷在本系統中MC9S12XS128單片機的ECT模塊可以對外部脈沖也可以產出定時中斷ECT中斷捕捉模塊初始化設置MC9S12XS128的ECT內部有16位的計數器計數器時鐘頻率可通過設置寄存器TSCR2由總線時鐘分頻得到ECT既可以作